JPWO2008056829A1 - 光導波路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

分域化している強誘電体単結晶基板の一方の主面上に設けられた櫛形電極と、この他方の主面上に設けられた一様電極との間に電圧を印加することによって、周期分極反転構造９を形成し、櫛形電極を除去する。次いで、基板１８に光導波路２０を形成する。光導波路２０の光強度中心Ｐ１を櫛形電極の先端位置ＰＯから離す。

Description

本発明は、高調波発生素子などに使用可能な光導波路基板を製造する方法に関するものである。

強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転構造を周期的に形成することで、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非線型分極の分極反転を利用した光波長変換素子などを実現することができる。特に、非線型光学材料の非線型分極を周期的に反転することが可能となれば、高効率な波長変換素子を作製することができ、これを用いて固体レーザなどの光を変換すれば、印刷、光情報処理、光応用計測制御などの分野に応用できる小型軽量の短波長光源を構成することができる。
強誘電体非線型光学材料に周期状の分極反転構造を形成する手法としては、いわゆる電圧印加法が知られている。この方法では、強誘電体単結晶の基板の一方の主面に櫛形電極を形成し、他方の主面に一様電極を形成し、両者の間にパルス電圧を印加する。こうした方法は、特開平８−２２０５７８、特開２００５−７０１９５、特開２００５−７０１９４に記載されている。
ニオブ酸リチウム単結晶などの非線型光学材料から第二高調波を発生させるためには、単結晶に周期状の分極反転を形成する必要がある。そして、周期分極反転構造を強誘電体単結晶基板に形成した後に、基板表面に機械加工やレーザー加工によってリッジ型チャンネル光導波路を形成する。この際、リッジ型光導波路の内部に、周期分極反転構造が位置するようにすることで、光導波路に入射した基本波を高調波へと変調する。

しかし、周期分極反転構造を形成した領域にリッジ型光導波路を形成し、基本波を入射させると、光損失が非常に大きく、高調波出力がきわめて低くなることが判明してきた。これは、周期分極反転構造をスラブ導波路として使用した場合には見られなかった現象であり、予測を超えたものであった。
本発明の課題は、周期分極反転構造の形成されたチャンネル型光導波路を有する光導波路基板を形成するのに際して、チャンネル型光導波路における光損失を低減して、高調波の発生効率を向上させることである。
本発明は、周期分極反転構造の形成されたチャンネル型光導波路を有する光導波路基板を形成する方法であって、
単分域化している強誘電体単結晶基板の一方の主面上に設けられた櫛形電極に電圧を印加することによって、周期分極反転構造を形成する電圧印加工程、
櫛形電極を除去する電極除去工程、および
強誘電体単結晶基板に光導波路を形成する光導波路形成工程を有しており、光導波路の光強度中心Ｐ１の一方の主面への投影位置Ｐ２を、櫛形電極の先端の一方の主面への投影位置ＰＯから離すことを特徴とする。
本発明者は、チャンネル光導波路内に周期分極反転構造を形成した場合に、光導波路における損失が増大して高調波発生効率が顕著に低下する原因を追求した。この結果、周期分極反転を形成する工程において、電圧印加時に、強誘電体単結晶の表面領域にダメージが発生していることを突き止めた。このようなダメージとその高調波発生への影響について記載された文献は見つかっていない。
更に具体的に検討すると、櫛形電極の先端エッジ部分は電界が集中し、先端部分から先の方へと向かって分極反転部分が延びていく。櫛形電極の先端部下とその周辺では、結晶に大きなダメージないし結晶欠陥が発生するようである。この結果、分極効率の高そうなこの部分にチャンネル型光導波路を形成すると、光導波路を伝搬する光がダメージの影響を受けたものと考えられる。
本発明者は、こうした発見に基づき、例えば図６、図７に示すように、光導波路２０、３０の光強度中心Ｐ１を櫛形電極の先端位置ＰＯから平面的にみて離すことによって、光導波路２０、３０における光損失を顕著に低減し、高調波発生効率を増大させ得ることを見いだし、本発明に到達した。
本発明の観点からは、基板の一方の主面１８ａに投影したときの光導波路の光強度中心Ｐ１の投影位置Ｐ２と、櫛形電極の先端の投影位置ＰＯとの間隔ｍは、５μｍ以上とすることが好ましく、７μｍ以上とすることが更に好ましく、１０μｍ以上とすることが一層好ましい。
一方、一方の主面１８ａに投影したときの光導波路の光強度中心Ｐ１の投影位置Ｐ２と櫛形電極の先端投影位置ＰＯとの間隔ｍが大きくなりすぎると、分極反転の度合いが小さくなるので、高調波発生効率が低下してくる。従って、高調波発生効率の向上という観点からは、Ｐ２とＰＯとの間隔ｍは、３０μｍ以下とすることが好ましく、２５μｍ以下とすることが更に好ましく、２０μｍ以下とすることが一層好ましい。
本発明において、チャンネル型光導波路の光強度中心Ｐ１は、端面から観察した画像により決定できる。すなわち、導波路の出射端面側にランプの光を照射し、導波路端面の画像をＣＣＤカメラで観察する。導波路の反対側の端面にレーザー光（位相整合波長のレーザー光、例えば９８０ｎｍ）を入射して、出射側の端面にて導波光のパターンを端面の画像と同時にＣＣＤカメラによって観察し、画像解析（光強度分布測定ソフトを用いる）により強度中心位置を検出する。Ｐ０は、櫛形電極の先端エッジを主面８ａ、１８ａへと、主面の法線Ｌ方向へと向かって投影したときの投影位置である。Ｐ２は、Ｐ１を、主面８ａ、１８ａへと、主面８ａ、１８ａの法線Ｌ方向へと向かって投影したときの投影位置である。
チャンネル型光導波路が、例えば図６に例示するような形態のリッジ型光導波路２０である場合には、リッジ型光導波路の光強度中心Ｐ１は、幾何学的な中心と一致する。また、チャンネル型光導波路が、図７に例示するような、内拡散によって生じた光導波路３０である場合には、光導波路の形態は明確ではないので、光導波路の幾何学的中心を特定することはできない。

図１は、電圧印加法によって強誘電体単結晶基板８中に周期分極反転構造を形成している状態を模式的に示す斜視図である。
図２（ａ）は、強誘電体単結晶基板８に周期分極反転構造２９を形成した状態を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の強誘電体単結晶基板から電極を除去した状態を示す断面図である。
図３は、強誘電体単結晶基板８を支持基体１２に対して接着した状態を示す断面図である。
図４は、図３の強誘電体単結晶基板８を加工して薄層の強誘電体単結晶基板１８を形成した状態を示す断面図である。
図５は、リッジ型光導波路１４を形成した従来例の素子を示す断面図である。
図６は、リッジ型光導波路２０を形成した本発明例の素子を示す断面図である。
図７は、拡散型導波路３０を形成した本発明例の素子を示す断面図である。
図８は、Ｐ０とＰ２との間隔ｍと高調波出力との関係を示すグラフである。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
まず、電圧印加法によって、強誘電体単結晶基板に周期分極反転構造を形成する。例えば、図１に示すように、強誘電体単結晶からなるオフカット基板を基板８として使用する。強誘電体単結晶の分極方向Ａは、一方の主面８ａおよび他方の主面８ｂに対して所定角度、例えば５°傾斜しているので、この基板８はオフカット基板と呼ばれている。
基板８の一方の主面８ａに櫛型電極３および対向電極１を形成し、他方の主面８ｂに一様電極９を形成する。櫛型電極３は、周期的に配列された多数の細長い電極片３ａと、多数の電極片３ａの付け根を接続する細長い給電部２とからなる。対向電極１は細長い電極片からなっており、対向電極１は、電極片５の先端に対向するように設けられている。
最初に基板８の全体を方向Ａに分極させておく。そして、櫛型電極３と対向電極１との間にＶ１の電圧を印加し、櫛型電極３と一様電極９との間にＶ２の電圧を印加する。これにより、図２（ａ）に示すように、分極反転部９が、各電極部３ａの先端３ｂから、方向Ｂと平行に徐々に進展する。分極反転方向Ｂは、非分極反転方向Ａとは正反対になる。なお、電極部に対応しない位置、すなわち隣接する分極反転部の間には、分極反転していない非分極反転部が残留する。このようにして、分極反転部と非分極反転部とが交互に配列された周期分極反転構造２９が形成される。
ここで、櫛形電極３ａの直下および先端エッジ３ｂの周辺において、基板８の一方の主面８ａ側の表面領域に、ダメージ層１０が生成することを発見した。
チャンネル型光導波路内に周期分極反転構造を形成するためには、次いで、櫛形電極３を除去し、図２（ｂ）に示すような状態とする。ここで、ＰＯは、櫛形電極３の電極片３ａの先端３ｂを主面８ａに投影した投影位置である。
櫛形電極の先端の投影位置ＰＯは、あらかじめ作成したアライメントマークＭによって測定する。こうしたアライメントマークは、通常のフォトリソグラフィ法による金属パターン等によって形成可能である。
この時点で、本発明に従ってチャンネル型光導波路を強誘電体単結晶基板８に形成することも可能である。しかし、好適な実施形態においては、基板から櫛形電極を除去した後に、基板を支持基体に対して接着し、次いで、基板を他方の主面側から加工して薄くする。これによって、強誘電体単結晶基板を薄くして光導波路内部への光の閉じ込めを強くし、高調波への変換効率を向上させると共に、基板を薄くしても所望の機械的強度を付与することができる。
この実施形態においては、図３に示すように、強誘電体単結晶基板８の一方の主面８ａを支持基体１２の表面１２ａ側に対して接着する。そして基板８の他方の主面８ｂ側を加工することで基板を薄くする。
この結果、図４に示すように、基板１８が薄層化される。１８ａは基板１８の一方の主面であり、１８ｂは他方の主面である。基板１８は、接着層１１を介して支持基体１２の表面１２ａに対して接着されている。この時点で、アライメントマークＭは、背面１８ｂ側から観察可能なようにする。
次いで、基板１８内に他方の主面側から加工を行い、図５に示すようにリッジ型光導波路１４を形成したものとする。この場合、強誘電体単結晶基板１８を加工することで、一対の溝１７Ａ、１７Ｂを形成すると共に、その両側に延在部１５Ａ、１５Ｂを残留させる。一対の溝１７Ａと１７Ｂとの間にはリッジ１４が形成される。
ここで、従来は、リッジ型光導波路１４の光強度中心Ｐ１は、櫛形電極の先端投影位置Ｐ０上に位置するように設計されていた。なぜなら、櫛形電極の先端部分は電圧が高く、分極反転構造が確実に形成されると考えられていたからである。
しかし、現実には、図５のような形態であると、高調波の発生効率が説明不能なほどに著しく低下することが判明した。この理由を検討していく過程で、図５に示すように櫛形電極下の領域にダメージ層１０が形成されており、ダメージ層１０が、光導波路１４を伝搬する基本波および高調波の損失をもたらしていたものと考えられた。
このような予測を実証するために、本発明者は、例えば図６に示すように、リッジ型光導波路２０の光強度中心Ｐ１を、平面的に見て櫛形電極の先端位置Ｐ０から離すことで、リッジ型光導波路２０の光強度中心の直下およびその周辺からダメージ層１０を離すことを試みた。この結果、光導波路２０における基本波の変換効率が著しく向上することを見いだした。
また、本発明者は、図７に示すように、内拡散によって形成した光導波路３０についても、光導波路３０の光強度中心Ｐ１を、平面的に見て櫛形電極の先端位置Ｐ０から離すことで、リッジ型光導波路３０の光強度中心の直下およびその周辺からダメージ層１０を離すことを試みた。この結果、光導波路３０における基本波の変換効率が著しく向上することを見いだした。
強誘電体単結晶基板を構成する強誘電体単結晶の種類は限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５の各単結晶が特に好ましい。
強誘電体単結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。分極反転特性（条件）が明確であるとの観点からは、ニオブ酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶、タンタル酸リチウム単結晶にそれぞれマグネシウムを添加したものが特に好ましい。また、強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
基板としては、いわゆるＺカット基板，オフカットＸ板、オフカットＹ板を使用することが特に好適である。オフカットＸ板、オフカットＹ板を使用する場合には、オフカット角度は特に限定されない。特に好ましくは、オフカット角度は１°以上であり、あるいは、２０°以下である。Ｘカット基板やＹカット基板を使用する場合には、一様電極を基板裏面に設けず、一表面上に設け、櫛型電極と一様電極との間に電圧を印加することができる。この場合には、対向電極はなくともよいが、浮動電極として残しておいても良い。また、Ｚカット基板を使用する場合には、一様電極を裏面上に設け、櫛型の電極と一様電極との間に電圧を印加することができる。この場合には、対向電極は必ずしも必要ないが、浮動電極として残しておいても良い。
周期分極反転構造を形成するのに際して、櫛形電極、対向電極、一様電極の材質は限定されないが、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｐｄ、Ｔａが好ましい。また、櫛形電極、対向電極、一様電極の形成方法は特に限定されず、真空蒸着法、真空スパッタ法を例示できる。印加電圧の大きさは３ｋＶ〜８ｋＶが好ましく、パルス周波数は１Ｈｚ〜１０００Ｈｚが好ましい。
強誘電体単結晶基板と接着される支持基板の材質は、絶縁性が高く、材質内の体積抵抗率が均一で、所定の構造強度を有していることが必要である。この材質としては、シリコン、サファイア、水晶、ガラス、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体ＭｇＯドープニオブ酸リチウム、ＭｇＯドープタンタル酸リチウム、ＺｎＯドープニオブ酸リチウム、ＺｎＯドープタンタル酸リチウムを例示できる。
強誘電体単結晶基板と支持基体とを接着する接着剤の材質は特に限定されないが、アクリル系、エポキシ系の紫外線硬化型、熱硬化型、併用型の樹脂を例示できる。
光導波路の加工位置は、アライメントマークＭと、目的とする光導波路の光強度中心の推定位置との間隔を、加工装置に付属した顕微鏡によって測定しながら決定する。この際、リッジ型光導波路の場合には、各溝１７Ａ、１７Ｂの位置を、アライメントマークＭの位置から決定することで、リッジ型光導波路の幾何学的中心とＰ０との間隔を決定する。また、金属内拡散型の光導波路の場合には、拡散を行う前のチタン、亜鉛等の薄膜を形成するためのマスクの位置を、アライメントマークＭの位置から決定する。また、プロトン交換光導波路の場合には、プロトン交換を行うためのマスクの位置を、アライメントマークＭの位置から決定する。
チャンネル型光導波路を形成する方法は特に限定されない。例えば、リッジ型光導波路は、レーザーアブレーション加工、研削加工、ドライエッチング、ウエットエッチングによって形成可能である。
本発明によって形成された周期状分極反転部は、このような分極反転部を有する任意の光学デバイスに対して適用できる。このような光学デバイスは、例えば、第二高調波発生素子等の高調波発生素子を含む。第二高調波発生素子として使用した場合には、高調波の波長は３３０−１６００ｎｍが好ましい。

図１〜図６を参照しつつ説明した方法に従い、図５（比較例）または図６（実施例）に示すような構造の光導波路基板を作製した。
具体的には、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ ５％ドープニオブ酸リチウム５度オフカットＹ基板８上に、櫛形電極２、対向電極１をフォトリソグラフィ法によって形成した。電極片３ａの周期は５．１０μｍとした。一様電極９は基板８の底面８ｂに全面にわたって形成した。次いで、パルス電圧を印加して、周期分極反転構造２９を形成した（図２（ａ））。基板から電極を除去した。
次いで、厚さ１ｍｍのノンドープニオブ酸リチウム基板１２に接着剤１１を塗布した後、前記ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板８と貼り合せ（図３）、ＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板８の他方の主面８ａ側から、厚さ３．４μｍとなるまで、研削、研磨を行った（図４）。次に、レーザーアブレーション加工法により、リッジ型導波路１４、２０を形成した。形成したリッジ部１４、２０の幅は４．５μｍとし、溝１７Ａ、１７Ｂの深さを２μｍとした。リッジ加工後、スパッタ法により厚さ０．５ｕｍのＳｉＯ２を導波路表面に成膜した。ダイサーで基板を切断し、長さ１２ｍｍ、幅１．４ｍｍの素子を形成した。素子の両端を端面研磨した。
得られた素子について、チタンサファイアレーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を１００ｍＷに調整し、その基本光をレンズで導波路端面に集光した結果、６０ｍＷが導波路に結合できた。チタンサファイアレーザーの波長を可変させて位相整合する波長に調節し、第二高調波の最大出力が得られるようにした。ここで、図６において、Ｐ２とＰ０との間隔ｍを、表１に示すように設定した。各例における最大出力を表１および図８に示す。

この結果からわかるように、光導波路の光強度中心を櫛形電極の先端位置から離すことで、高調波出力が著しく向上する。これは、本実施例におけるような形態の光導波路デバイスにおいては、Ｐ２とＰ０との間隔ｍを５μｍ〜３０μｍとすることで特に著しくなった。
本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。

Claims (6)

1. 周期分極反転構造の形成されたチャンネル型光導波路を有する光導波路基板を形成する方法であって、
   単分域化している強誘電体単結晶基板の一方の主面上に設けられた櫛形電極に電圧を印加することによって、周期分極反転構造を形成する電圧印加工程、
   前記櫛形電極を除去する電極除去工程、および
   前記強誘電体単結晶基板に前記光導波路を形成する光導波路形成工程を有しており、前記光導波路の光強度中心Ｐ１の前記一方の主面への投影位置Ｐ２を、前記櫛形電極の先端の前記一方の主面への投影位置ＰＯから離すことを特徴とする、光導波路基板の製造方法。
2. 前記光導波路の光強度中心Ｐ１の前記一方の主面への投影位置Ｐ２と、前記櫛形電極の先端の前記一方の主面への投影位置ＰＯとの間隔を５μｍ以上とすることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記光導波路の光強度中心Ｐ１の前記一方の主面への投影位置Ｐ２と、前記櫛形電極の先端の前記一方の主面への投影位置ＰＯとの間隔を３０μｍ以下とすることを特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 前記強誘電体単結晶基板から前記櫛形電極を除去した後に、前記強誘電体単結晶基板を支持基体に対して接着する接着工程、および
   次いで前記強誘電体単結晶基板を前記他方の主面側から加工して薄くする薄板加工工程を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法。
5. 前記強誘電体単結晶基板が、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、およびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなる群より選ばれた単結晶からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の方法。
6. 前記強誘電体単結晶基板がＺカット基板であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の方法。

Images